有机高分子案例.pptx
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1、第一节第一节 概述概述一、高分子化合物的基本概念一、高分子化合物的基本概念高分子材料是以高分子化合物为主要组分的材料。常称聚合高分子材料是以高分子化合物为主要组分的材料。常称聚合物或高聚物。物或高聚物。高分子化合物的分子量一般高分子化合物的分子量一般104。高分子化合物有天然的,也有人工合成的。工业用高分子高分子化合物有天然的,也有人工合成的。工业用高分子材料主要是人工合成的。材料主要是人工合成的。第1页/共54页由简单的结构单元重复连接而成。如由乙烯合成聚乙烯由简单的结构单元重复连接而成。如由乙烯合成聚乙烯:CH2=CH2+CH2=CH2+-CH2-CH2-CH2-CH2-,可简写成可简写成
2、 CH2=CH2 CH2CH2 n,其中,其中 n聚合度聚合度。合成聚合物的低分子化合物称为单体。合成聚合物的低分子化合物称为单体。聚合物的分子为很长的链条,称为大分子链。聚合物的分子为很长的链条,称为大分子链。聚乙烯分子链聚乙烯分子链大分子链中重复结构单元,如聚乙烯中大分子链中重复结构单元,如聚乙烯中 CH2CH2 )称为链节。称为链节。1、高分子化合物的组成、高分子化合物的组成第2页/共54页2.高聚物的相对分子量高聚物的相对分子量 M=nM0 n聚合度聚合度,M0 链节的分链节的分子量子量例:例:聚氯乙烯聚氯乙烯 M0=62 当当 n=2500,则,则 M=2500 62=1550001
3、)高分子的相对分子质量高分子的相对分子质量指平均相对分子质量指平均相对分子质量(多分散性多分散性)如:聚苯乙烯如:聚苯乙烯 相对分子质量:相对分子质量:1030万万 氯丁橡胶氯丁橡胶 相对分子质量:相对分子质量:1012万万2)聚合物的强度及加工性能与其平均相对分子质量密切相关。聚合物的强度及加工性能与其平均相对分子质量密切相关。如:用于合成纤维的分子量在几万以下,以免堵塞纺丝孔,分如:用于合成纤维的分子量在几万以下,以免堵塞纺丝孔,分子量分布窄;塑料的分子量在几万十几万之间,分子量分布子量分布窄;塑料的分子量在几万十几万之间,分子量分布较宽。较宽。第3页/共54页二、高聚物的分类和命名二、高
4、聚物的分类和命名(1)按用途分:按用途分:塑料、橡胶、纤维、胶粘剂、塑料、橡胶、纤维、胶粘剂、涂料等。涂料等。(2)按聚合物反应类型分为按聚合物反应类型分为加聚物和缩聚物。加聚物和缩聚物。(3)按聚合物的热行为分为按聚合物的热行为分为热塑性聚合物和热热塑性聚合物和热固性聚合物。固性聚合物。(4)按主链上的化学组成分为按主链上的化学组成分为碳链聚合物、杂碳链聚合物、杂链聚合物和元素有机聚合物链聚合物和元素有机聚合物 1.分类分类第4页/共54页2.聚合物的命名聚合物的命名聚合物有系统命名法和通俗命名法,主要采用通俗命名聚合物有系统命名法和通俗命名法,主要采用通俗命名法。法。天然高分子,一般按来源
5、和性质有专有名词。如纤维天然高分子,一般按来源和性质有专有名词。如纤维素、蛋白质等。素、蛋白质等。合成高分子,是在单体名称前冠以合成高分子,是在单体名称前冠以“聚聚”字。字。由两种单体缩聚而成的聚合物,如果结构比较复杂或由两种单体缩聚而成的聚合物,如果结构比较复杂或不太明确,往往在单体名称后加上不太明确,往往在单体名称后加上“树脂树脂”二字来命名。二字来命名。以高聚物的商品名或代号命名。如尼龙以高聚物的商品名或代号命名。如尼龙6,PA-6第5页/共54页三、高分子材料的结构三、高分子材料的结构1、大分子链的结构、大分子链的结构(1)大分子链的柔顺性大分子链的柔顺性 大分子链主链共价键有大分子链
6、主链共价键有一定键长和键角,保持键长和一定键长和键角,保持键长和键角不变时单键可任意旋转,键角不变时单键可任意旋转,称单键的内旋转。称单键的内旋转。F内旋转使大分子链卷曲成各种不同形状,对外力有很大的适应内旋转使大分子链卷曲成各种不同形状,对外力有很大的适应性,这种特性称为大分子链的柔顺性。性,这种特性称为大分子链的柔顺性。F柔顺性与单键内旋转的难易程度有关。柔顺性与单键内旋转的难易程度有关。第6页/共54页分子结构对柔顺性的影响:分子结构对柔顺性的影响:1、主链结构:、主链结构:主链含有主链含有C-O、C-N、Si-O键其内旋转均比键其内旋转均比C-C键容易;键容易;主链上含有孤立的双键比仅
7、有单键时更加柔顺;主链上含有孤立的双键比仅有单键时更加柔顺;主链中共轭双键因主链中共轭双键因电子云的重叠而不能产生内旋转为刚电子云的重叠而不能产生内旋转为刚性链,如聚乙炔、聚苯等;性链,如聚乙炔、聚苯等;主链中引入苯环、杂环,柔性减小,即使在高温下分子链主链中引入苯环、杂环,柔性减小,即使在高温下分子链也不易产生内旋转,这是耐高温聚合物的结构特征。也不易产生内旋转,这是耐高温聚合物的结构特征。2、侧基:、侧基:侧基极性越强,数目越多,柔顺性越差;侧基极性越强,数目越多,柔顺性越差;非极性侧基,体积越大,空间位阻越大,链的刚性增大非极性侧基,体积越大,空间位阻越大,链的刚性增大侧基的对称性使链间
8、距离增大,相互作用力减小,柔性增侧基的对称性使链间距离增大,相互作用力减小,柔性增大大3、氢键:、氢键:分子内或分子间氢键使分子链的刚性增加。分子内或分子间氢键使分子链的刚性增加。第7页/共54页(2)大分子链的形状大分子链的形状按照大分子链的几何形状,可将高分子化合物分为线型结按照大分子链的几何形状,可将高分子化合物分为线型结构、支链型结构和体型结构。构、支链型结构和体型结构。线型结构高聚物的弹性、塑性好,硬度低,是热塑性材料。线型结构高聚物的弹性、塑性好,硬度低,是热塑性材料。支链型结构近于线型结构支链型结构近于线型结构。体型结构高聚物硬度高,脆性。体型结构高聚物硬度高,脆性大,无弹性和塑
9、性,是热固性材料大,无弹性和塑性,是热固性材料。第8页/共54页2、高分子的聚集态结构、高分子的聚集态结构固态高聚物分为晶态和非晶态两大类,晶态为分子链排列固态高聚物分为晶态和非晶态两大类,晶态为分子链排列规则的部分,而排列不规则的部分为非晶态规则的部分,而排列不规则的部分为非晶态。一个大分子链可以穿过一个大分子链可以穿过几个晶区和非晶区。晶几个晶区和非晶区。晶区熔点、密度、强度、区熔点、密度、强度、硬度、刚性、耐热性、硬度、刚性、耐热性、化学稳定性高,而弹性、化学稳定性高,而弹性、塑性、冲击强度下降。塑性、冲击强度下降。第9页/共54页四、高聚物的力学性能四、高聚物的力学性能 1、线型非晶态
10、高分子材料的力学状态、线型非晶态高分子材料的力学状态(1)玻璃态:玻璃态:低温下,链段不能运动。在外力作用下,只发低温下,链段不能运动。在外力作用下,只发生大分子原子的微量位移,产生少量弹性变形。生大分子原子的微量位移,产生少量弹性变形。F高聚物呈玻璃态的最高聚物呈玻璃态的最高温度称玻璃化温度,高温度称玻璃化温度,用用Tg表示。表示。用于这种用于这种状态的材料有塑料和状态的材料有塑料和纤维。纤维。线型非晶态高聚物的温度线型非晶态高聚物的温度-变形曲线变形曲线 第10页/共54页(2)高弹态:高弹态:温度高于温度高于Tg,分子活动能力增加,受力时产生,分子活动能力增加,受力时产生很大弹性变形。用
11、于这种状态高聚物是橡胶。很大弹性变形。用于这种状态高聚物是橡胶。(3)粘流态:粘流态:由于温度高,分子活动能力很大,在外力作用由于温度高,分子活动能力很大,在外力作用下,大分子链可以相对滑动。粘流态是高分下,大分子链可以相对滑动。粘流态是高分子材料的加工子材料的加工态,态,大分子链开始大分子链开始发生粘性流动的温发生粘性流动的温度称粘流温度,用度称粘流温度,用Tf表示表示。线型非晶态高聚物的温度线型非晶态高聚物的温度-变形曲线变形曲线 第11页/共54页2、高分子化合物的力学性能高分子化合物的力学性能 2)结晶度的影响)结晶度的影响 在结晶区内分子链排列紧密有序,可使分子链之间的作用力增大,机
12、在结晶区内分子链排列紧密有序,可使分子链之间的作用力增大,机械强度也随之增高。械强度也随之增高。3)极性的影响)极性的影响 高聚物分子链中含有极性基团或链间能形成氢键时,都可因增加分子高聚物分子链中含有极性基团或链间能形成氢键时,都可因增加分子链之间的作用力而提高其机械强度。链之间的作用力而提高其机械强度。4)主链结构的影响)主链结构的影响主链含苯环等的高聚物,其强度和刚性比含脂肪族主链的高聚物的要高。主链含苯环等的高聚物,其强度和刚性比含脂肪族主链的高聚物的要高。1)相对分子质量的影响)相对分子质量的影响 第12页/共54页3、高聚物的溶解性能高聚物的溶解性能非晶态高聚物:非晶态高聚物:从溶
13、胀到溶解。从溶胀到溶解。交联高聚物:交联高聚物:只能溶胀不能溶解。只能溶胀不能溶解。非极性晶态高聚物:非极性晶态高聚物:升温至聚合物的熔点附近,使晶态转化升温至聚合物的熔点附近,使晶态转化为非晶态,才能逐渐溶解。为非晶态,才能逐渐溶解。极性晶态高聚物:极性晶态高聚物:只要溶剂选择得当,可以常温溶解。只要溶剂选择得当,可以常温溶解。原因:原因:其非晶部分在溶剂中发生溶剂化作用放热,放出的热量其非晶部分在溶剂中发生溶剂化作用放热,放出的热量足以使结晶部分熔化,进而聚合物溶解。足以使结晶部分熔化,进而聚合物溶解。1)高聚物的溶解过程)高聚物的溶解过程 第13页/共54页极性相似的原则:极性相似的原则
14、:Gm=H m-TSm,Sm 0。对于非极性高聚物:对于非极性高聚物:H m 0,升高温度溶解可自发进行。,升高温度溶解可自发进行。对于极性高聚物:对于极性高聚物:H m 0,溶解过程可自发进行。,溶解过程可自发进行。溶度参数相近的原则:溶度参数相近的原则:溶度参数反映了分子间相互作用力溶度参数反映了分子间相互作用力大小。一般当大小。一般当 12 2.03.1时,高聚物溶解。而对于时,高聚物溶解。而对于非极性晶态高聚物只有在温度为非极性晶态高聚物只有在温度为0.9Tm时,才能用溶度参时,才能用溶度参数判断。数判断。溶剂化的原则:溶剂化的原则:强极性和高结晶高聚物,只有用强亲电、强极性和高结晶高
15、聚物,只有用强亲电、亲核作用的溶剂或形成氢键的溶剂才能溶解。亲核作用的溶剂或形成氢键的溶剂才能溶解。2)溶剂的选择)溶剂的选择 第14页/共54页第二节第二节 高分子工程材料高分子工程材料 高分子工程材料高分子工程材料包括塑料、合成包括塑料、合成纤维、橡胶和胶纤维、橡胶和胶粘剂等。粘剂等。本节主本节主要介绍工程上常要介绍工程上常用的高分子工程用的高分子工程材料。材料。第15页/共54页一、工程塑料一、工程塑料 塑料是在玻璃态下使用的高分子材料。在一定温度、压力塑料是在玻璃态下使用的高分子材料。在一定温度、压力下可塑制成型,在常温下能保持其形状不变。下可塑制成型,在常温下能保持其形状不变。l塑料
16、是以树脂为主要成分塑料是以树脂为主要成分(40100%),加入各种添加剂。,加入各种添加剂。塑塑料料制制品品1、工程塑料概述、工程塑料概述 (1)塑料的组成塑料的组成 l树脂是塑料的主要成分,对塑树脂是塑料的主要成分,对塑料性能起决定性作用。料性能起决定性作用。第16页/共54页添加剂添加剂是为改善塑料某些性能而加入的物质。是为改善塑料某些性能而加入的物质。u添添加加剂剂F填料填料主要起增强作用;主要起增强作用;F增塑剂增塑剂用于提高树脂的可塑性和柔软性;用于提高树脂的可塑性和柔软性;F固化剂固化剂用于使热固性树脂由线型结构转变为体型结构;用于使热固性树脂由线型结构转变为体型结构;F稳定剂稳定
17、剂用于防止塑料老化,延长其使用寿命;用于防止塑料老化,延长其使用寿命;F润滑剂润滑剂用于防止塑料加工时粘在模具上用于防止塑料加工时粘在模具上,使制品光亮;使制品光亮;F着色剂着色剂用于塑料制品着色。用于塑料制品着色。F其他的还有其他的还有发泡剂、催化剂、发泡剂、催化剂、阻燃剂、抗静电剂等阻燃剂、抗静电剂等。第17页/共54页(2)塑料的分类塑料的分类特种塑料特种塑料是指具有某些特殊性能是指具有某些特殊性能如耐高温、耐腐蚀的塑料,这类如耐高温、耐腐蚀的塑料,这类塑料产量少,价格贵,只用于特塑料产量少,价格贵,只用于特殊需要的场合。殊需要的场合。按树脂受热时行为可分为按树脂受热时行为可分为热塑性塑
18、料和热固性塑料。热塑性塑料和热固性塑料。按使用范围可分为按使用范围可分为通用塑料、工程塑料和特种塑料。通用塑料、工程塑料和特种塑料。通用塑料通用塑料产量大、价格低、用途广。产量大、价格低、用途广。工程塑料工程塑料力学性能高,耐热、耐蚀性能好。力学性能高,耐热、耐蚀性能好。热固性塑料制品热固性塑料制品第18页/共54页热热塑塑性性塑塑料料聚乙烯聚乙烯聚丙烯聚丙烯聚苯乙烯聚苯乙烯聚氯乙烯聚氯乙烯PMMAABS聚四氟乙烯聚四氟乙烯聚甲醛聚甲醛聚碳酸酯聚碳酸酯聚醚聚醚聚砜聚砜通通用用塑塑料料工工程程塑塑料料第19页/共54页(3)塑料的性能特点塑料的性能特点缺点:缺点:优点:优点:F相对密度小相对密度
19、小(一般为一般为0.92.3);耐蚀性、电绝缘性、;耐蚀性、电绝缘性、减摩、耐磨性好;有消音减摩、耐磨性好;有消音吸振性能吸振性能。F刚性差刚性差(为钢铁材料的为钢铁材料的1/1001/10),强度低;耐热性差、热,强度低;耐热性差、热膨胀系数大(是钢铁的膨胀系数大(是钢铁的10倍)、导热系数小倍)、导热系数小(只有金属的只有金属的1/2001/600);蠕变温度低、易老化。;蠕变温度低、易老化。第20页/共54页2、常用工程塑料、常用工程塑料PE波纹管波纹管PP方向盘方向盘ABS阀门阀门PS管管(1)一般结构用塑料一般结构用塑料F包括聚乙烯包括聚乙烯(PE)、聚氯乙烯、聚氯乙烯(PVC)、聚
20、苯乙烯、聚苯乙烯(PS)、聚丙烯、聚丙烯(PP)和和ABS塑料等。塑料等。F聚丙烯具有优良的综合性能,可制造各种机械零件。聚丙烯具有优良的综合性能,可制造各种机械零件。FABS塑料塑料“坚韧、质硬、刚性坚韧、质硬、刚性”,应用广泛。,应用广泛。第21页/共54页F聚酰胺又称尼龙或绵纶,强度较高,耐磨、自润滑性好,聚酰胺又称尼龙或绵纶,强度较高,耐磨、自润滑性好,广泛用作机械、化工及电气零件。广泛用作机械、化工及电气零件。尼龙管件尼龙管件PC挡挡风风板板F聚碳酸酯具有优良的机械性能,聚碳酸酯具有优良的机械性能,透明无毒,应用广泛。透明无毒,应用广泛。(2)摩擦传动零件用塑料摩擦传动零件用塑料包括
21、聚酰胺包括聚酰胺(PA)、聚甲醛、聚甲醛(POM)、聚、聚碳酸酯碳酸酯(PC)、聚四氟乙烯、聚四氟乙烯(PTFE)等。等。F聚甲醛具有优良的综合性能,广泛用于汽车机床、化工、电气聚甲醛具有优良的综合性能,广泛用于汽车机床、化工、电气仪表、农机等工业仪表、农机等工业。第22页/共54页密封件密封件聚四氟乙烯管聚四氟乙烯管聚四氟乙烯零件聚四氟乙烯零件F聚四氟乙烯俗称聚四氟乙烯俗称“塑料王塑料王”,具有极优越的化学稳定性和,具有极优越的化学稳定性和热稳定性以及优越的电性能,几乎不受任何化学药品的腐热稳定性以及优越的电性能,几乎不受任何化学药品的腐蚀,摩擦系数极低,只有蚀,摩擦系数极低,只有0.04。
22、缺点是强度低、加工性差。缺点是强度低、加工性差。主要用于减摩密封件、化工耐蚀件与热交换器以及高频或主要用于减摩密封件、化工耐蚀件与热交换器以及高频或潮湿条件下的绝缘材料。潮湿条件下的绝缘材料。第23页/共54页(3)耐蚀用塑料耐蚀用塑料耐蚀用塑料主要有聚四氟乙烯、耐蚀用塑料主要有聚四氟乙烯、氯化聚醚氯化聚醚(PENTON)、聚丙烯、聚丙烯等等。氯化聚醚的化学稳定性仅次于氯化聚醚的化学稳定性仅次于聚四氟乙烯,但工艺性比聚四聚四氟乙烯,但工艺性比聚四氟乙烯好,成本低。在化学工氟乙烯好,成本低。在化学工业和机电工业获得广泛应用,业和机电工业获得广泛应用,如化工设备零件、管道、衬里如化工设备零件、管道
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